ES2681212T3 - Control procedure for a constant frequency and variable speed generator - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de control de un generador eléctrico (20) accionado por motor, incluyendo el generador un rotor (30) que tiene devanados trifásicos (31a - 31c) y un estátor (32) que tiene un devanado principal, conectado con una salida (33a - 33c) del estátor y que genera en la salida del estátor una tensión de salida a una frecuencia con el motor en marcha a una velocidad operativa, comprendiendo el procedimiento las etapas de: conectar la salida del estátor del generador (20) con una carga (36); variar la velocidad operativa del motor en respuesta a la carga; y modificar la frecuencia de la tensión de salida a un nivel predeterminado, en el que la etapa de modificar la frecuencia de la tensión de salida comprende las etapas adicionales de: calcular la diferencia entre la frecuencia de la tensión de salida y el nivel predeterminado y proporcionar la diferencia como una frecuencia de ajuste; modificar la frecuencia de la tensión de salida mediante la frecuencia de ajuste, comprendiendo el procedimiento las etapas de: conectar de manera operativa la salida (33a-33c) del estátor con una entrada de un inversor (34), recibiendo el inversor la tensión de salida a la frecuencia; y conectar de manera operativa una salida del inversor con los devanados del rotor, suministrando el inversor energía a los devanados del rotor a la frecuencia de ajuste, caracterizado porque: el estátor (32) tiene un devanado (46) en cuadratura desfasado 90 grados del devanado principal y el procedimiento comprende la etapa de conectar de manera operativa el enlace (44) de CC del inversor (34) con el devanado (46) en cuadratura del estátor (32) para proporcionar corriente al enlace (44) de CC.A method of controlling a motor-driven electric generator (20), the generator including a rotor (30) having three-phase windings (31a-31c) and a stator (32) having a main winding, connected with an output (33a - 33c) of the stator and that generates an output voltage at the stator output at a frequency with the engine running at an operating speed, the procedure comprising the steps of: connecting the generator stator output (20) with a load (36); vary the operating speed of the motor in response to the load; and modifying the frequency of the output voltage to a predetermined level, wherein the step of modifying the frequency of the output voltage comprises the further steps of: calculating the difference between the frequency of the output voltage and the predetermined level and provide the difference as an adjustment frequency; modify the frequency of the output voltage through the adjustment frequency, the procedure comprising the steps of: operationally connecting the output (33a-33c) of the stator with an input of an inverter (34), the inverter receiving the voltage of output to frequency; and operatively connecting an inverter output with the rotor windings, the inverter supplying energy to the rotor windings at the setting frequency, characterized in that: the stator (32) has a quadrature winding (46) out of phase 90 degrees from the main winding and the method comprises the step of operatively connecting the DC link (44) of the inverter (34) with the quadrature winding (46) of the stator (32) to provide current to the DC link (44).
Description
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DESCRIPCIONDESCRIPTION
Procedimiento de control de un generador de frecuencia constante y de velocidad variable Campo de la invenciónMethod of controlling a constant frequency and variable speed generator Field of the invention
La presente invención versa, en general, sobre generadores eléctricos accionados por motor y, en particular, sobre un procedimiento de control de un generador eléctrico auxiliar de frecuencia constante y de velocidad variable.The present invention relates, in general, to motor-driven electric generators and, in particular, to a control procedure of an auxiliary electric generator of constant frequency and variable speed.
Antecedentes y sumario de la invenciónBackground and summary of the invention
Se utilizan los generadores eléctricos en una gran variedad de aplicaciones. Normalmente, un generador eléctrico individual opera en un modo de reserva en el que se monitoriza la energía eléctrica proporcionada por una empresa de producción de energía eléctrica, de forma que, si falla la energía eléctrica comercial de una empresa de producción de energía eléctrica, se pone en marcha automáticamente el motor del generador eléctrico provocando que el alternador genere energía eléctrica. Cuando la energía eléctrica generada por el alternador alcance una tensión predeterminada y una frecuencia deseada por el cliente, un conmutador de transferencia transfiere la carga impuesta por el cliente desde las líneas comerciales de alta tensión hasta el generador eléctrico.Electric generators are used in a wide variety of applications. Normally, an individual electric generator operates in a backup mode in which the electric power provided by an electric power production company is monitored, so that, if the commercial electric power of an electric power production company fails, Automatically starts the electric generator motor causing the alternator to generate electricity. When the electric power generated by the alternator reaches a predetermined voltage and a frequency desired by the customer, a transfer switch transfers the load imposed by the customer from the commercial high voltage lines to the electric generator.
Normalmente, los generadores eléctricos utilizan un único motor de accionamiento acoplado con un generador o alternador mediante un eje común. Tras el accionamiento del motor, el cigüeñal hace girar el eje común, de forma que accione el alternador que, a su vez, genera energía eléctrica. Como es sabido, se diseña la mayoría de equipos eléctricos domésticos en los Estados Unidos para ser utilizados en conexión con energía eléctrica que tiene una frecuencia fija, es decir, sesenta (60) hercios (Hz). La frecuencia de la energía de salida de la mayoría de los anteriores generadores eléctricos depende de una velocidad operativa fija del motor. Normalmente, la velocidad operativa predeterminada de un motor para un generador eléctrico auxiliar de dos polos es de aproximadamente 3600 revoluciones por minuto para producir la frecuencia y energía nominales para las que se ha diseñado la unidad. Sin embargo, en situaciones en las que la carga aplicada es menor que la carga nominal de kilovatios para los que se ha diseñado la unidad, la eficacia del motor en consumo de combustible será menor que la óptima. Como tal, se puede apreciar que es altamente deseable variar la velocidad operativa del motor de un generador eléctrico para maximizar la eficacia en consumo de combustible y, por lo tanto, reducir las emisiones de CO2 del motor para una carga dada. Además, la operación del generador eléctrico accionado por motor a su velocidad operativa predeterminada puede producir ruido no deseado. Se puede apreciar que la reducción de la velocidad operativa del motor de un generador eléctrico para que se corresponda con una carga dada reducirá el ruido asociado con la operación del generador eléctrico accionado por motor. Se conoce un sistema autónomo de generación de energía con un generador de inducción de doble alimentación accionado por un motor diésel por el documento IWANSKI G ET AL: “Power management in an autonomous adjustable speed large power diesel gensets”. Por lo tanto, un objeto y una característica primarios de la presente invención es proporcionar un procedimiento de control de un generador eléctrico auxiliar de frecuencia constante y de velocidad variable.Normally, electric generators use a single drive motor coupled to a generator or alternator using a common shaft. After the engine is driven, the crankshaft rotates the common shaft, so that it operates the alternator which, in turn, generates electric power. As is known, most domestic electrical equipment in the United States is designed to be used in connection with electrical energy that has a fixed frequency, that is, sixty (60) hertz (Hz). The frequency of the output power of most of the previous electric generators depends on a fixed operating speed of the motor. Normally, the default operating speed of a motor for a two-pole auxiliary electric generator is approximately 3600 revolutions per minute to produce the nominal frequency and energy for which the unit is designed. However, in situations where the applied load is less than the nominal kilowatt load for which the unit has been designed, the efficiency of the engine in fuel consumption will be less than optimal. As such, it can be appreciated that it is highly desirable to vary the operating speed of the engine of an electric generator to maximize fuel efficiency and, therefore, reduce CO2 emissions from the engine for a given load. In addition, operation of the motor-driven electric generator at its predetermined operating speed may produce unwanted noise. It can be seen that reducing the operating speed of the motor of an electric generator to correspond to a given load will reduce the noise associated with the operation of the electric motor-driven generator. An autonomous power generation system is known with a double power induction generator driven by a diesel engine by the document IWANSKI G ET AL: "Power management in an autonomous adjustable speed large power diesel gensets". Therefore, a primary object and characteristic of the present invention is to provide a control method of an auxiliary electric generator of constant frequency and variable speed.
Un objeto y una característica adicionales de la presente invención es proporcionar un procedimiento de control de un generador eléctrico auxiliar de frecuencia constante y de velocidad variable que maximice la eficacia en consumo de combustible del motor para una carga dada.An additional object and feature of the present invention is to provide a control method of an auxiliary electric generator of constant frequency and variable speed that maximizes the fuel efficiency of the engine for a given load.
Un objeto y una característica adicional más de la presente invención es proporcionar un procedimiento de control de un generador eléctrico auxiliar de frecuencia constante y de velocidad variable que sea simple y que reduzca el coste total de operación del generador.An object and a further feature of the present invention is to provide a control method of an auxiliary electric generator of constant frequency and variable speed that is simple and reduces the total operating cost of the generator.
Un objeto y una característica adicional más de la presente invención es proporcionar un procedimiento de control de un generador eléctrico auxiliar de frecuencia constante y de velocidad variable que minimice el ruido asociado con la operación del generador.A further object and feature of the present invention is to provide a control procedure for an auxiliary electric generator of constant frequency and variable speed that minimizes the noise associated with the operation of the generator.
Según la presente invención, se proporciona un procedimiento de control de un generador eléctrico accionado por motor. El generador genera una tensión de salida a una frecuencia con el motor en marcha a una velocidad operativa. El procedimiento incluye las etapas de conectar el generador con una carga y variar la velocidad operativa del motor para optimizar el consumo de combustible en respuesta a la carga. A partir de entonces, se modifica la frecuencia de la tensión de salida a un nivel predeterminado.According to the present invention, a control method of a motor driven electric generator is provided. The generator generates an output voltage at a frequency with the engine running at an operational speed. The procedure includes the steps of connecting the generator with a load and varying the operating speed of the engine to optimize fuel consumption in response to the load. Thereafter, the frequency of the output voltage is modified to a predetermined level.
La etapa de modificar la frecuencia de la tensión de salida incluye las etapas adicionales de calcular la diferencia entre la frecuencia de la tensión de salida y el nivel predeterminado y proporcionar la diferencia como una frecuencia de ajuste. La frecuencia de la tensión de salida es modificada por la frecuencia de ajuste. El generador incluye un rotor que tiene devanados y un estátor que tiene una salida. La salida del estátor es conectable con la carga. Además, la salida del estátor está conectada operativamente con una entrada de un inversor. El inversor recibe la tensión de salida a la frecuencia. La salida del inversor está conectada operativamente con los devanados del rotor. El inversor suministra energía a los devanados del rotor a la frecuencia de ajuste. El estátor tiene un devanado principal y un devanado en cuadratura, y el inversor incluye un enlace de CC. La entrada de detección del inversor está conectada operativamente con el devanado principal y la de energía para el enlace de CC está conectadaThe step of modifying the frequency of the output voltage includes the additional steps of calculating the difference between the frequency of the output voltage and the predetermined level and providing the difference as an adjustment frequency. The frequency of the output voltage is modified by the adjustment frequency. The generator includes a rotor that has windings and a stator that has an output. The output of the stator is connectable with the load. In addition, the output of the stator is operatively connected to an input of an inverter. The inverter receives the output voltage at the frequency. The inverter's output is operatively connected to the rotor windings. The inverter supplies power to the rotor windings at the adjustment frequency. The stator has a main winding and a quadrature winding, and the inverter includes a DC link. The detection input of the inverter is operatively connected to the main winding and the energy input for the DC link is connected
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operativamente con el devanado en cuadratura. Se contempla que el nivel predeterminado de la frecuencia no modificada se encuentre en el intervalo de 40 a 75 hercios y que el motor tenga una velocidad operativa mínima de aproximadamente 2400 revoluciones por minuto.Operationally with quadrature winding. It is contemplated that the predetermined level of the unmodified frequency is in the range of 40 to 75 hertz and that the motor has a minimum operating speed of approximately 2400 revolutions per minute.
Según un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona un procedimiento de control de un generador eléctrico accionado por motor que incluye un rotor y un estátor que tiene una salida. El generador genera una tensión de salida a una frecuencia en la salida del estátor con el motor en marcha a una velocidad del motor. El procedimiento incluye las etapas de conectar la salida del estátor con una carga y ajustar la velocidad del motor en respuesta a la carga. Se calcula la diferencia entre la frecuencia de la tensión de salida y un nivel predeterminado y se proporciona la diferencia como una frecuencia de ajuste. Se modifica la frecuencia de la tensión de salida por la frecuencia de ajuste.According to a further aspect of the present invention, a control method of a motor-driven electric generator that includes a rotor and a stator having an output is provided. The generator generates an output voltage at a frequency at the output of the stator with the engine running at a motor speed. The procedure includes the steps of connecting the stator output with a load and adjusting the motor speed in response to the load. The difference between the frequency of the output voltage and a predetermined level is calculated and the difference is provided as an adjustment frequency. The frequency of the output voltage is modified by the adjustment frequency.
El generador incluye un rotor que tiene devanados y el procedimiento incluye la etapa adicional de conectar operativamente la salida del estátor con una entrada de un inversor. El inversor recibe la tensión de salida a la frecuencia. Una salida del inversor está conectada operativamente con los devanados del rotor. El inversor suministra energía a los devanados del rotor a la frecuencia de ajuste.The generator includes a rotor that has windings and the procedure includes the additional step of operatively connecting the output of the stator with an input of an inverter. The inverter receives the output voltage at the frequency. An inverter output is operatively connected to the rotor windings. The inverter supplies power to the rotor windings at the adjustment frequency.
El estátor tiene un devanado principal y un devanado en cuadratura, y el inversor incluye un enlace de CC. La entrada del inversor está conectada operativamente con el devanado principal y el enlace de CC está conectado operativamente con el devanado en cuadratura. Se contempla que el nivel predeterminado de la frecuencia se encuentra en el intervalo de 40 a 75 hercios y que el motor tenga una velocidad operativa mínima de aproximadamente 2400 revoluciones por minuto.The stator has a main winding and a quadrature winding, and the inverter includes a DC link. The inverter input is operatively connected to the main winding and the DC link is operatively connected to the quadrature winding. It is contemplated that the predetermined frequency level is in the range of 40 to 75 hertz and that the motor has a minimum operating speed of approximately 2400 revolutions per minute.
Según un aspecto adicional más de la presente invención, se proporciona un procedimiento de control de un generador eléctrico accionado por motor que incluye un rotor que tiene devanados del rotor y un estátor que tiene una salida. El generador genera una tensión de salida en una frecuencia en la salida del estátor con el motor en marcha a una velocidad del motor. El procedimiento incluye las etapas de conectar la salida del estátor con una carga y de ajustar la velocidad del motor en respuesta a la carga. Se suministra potencia de deslizamiento a los devanados del rotor para ajustar la frecuencia de la tensión de salida a un nivel predeterminado.According to a further aspect of the present invention, there is provided a control method of a motor driven electric generator that includes a rotor having rotor windings and a stator having an output. The generator generates an output voltage at a frequency at the output of the stator with the engine running at a motor speed. The procedure includes the steps of connecting the stator output with a load and adjusting the motor speed in response to the load. Slip power is supplied to the rotor windings to adjust the frequency of the output voltage to a predetermined level.
La etapa de suministrar potencia de deslizamiento a los devanados del rotor incluye las etapas adicionales de calcular la diferencia entre la frecuencia de la tensión de salida y el nivel predeterminado y proporcionar la diferencia como una frecuencia de ajuste. La potencia de deslizamiento tiene una frecuencia generalmente igual a la frecuencia de ajuste. La salida del estátor está conectada operativamente con una entrada de un inversor. El inversor recibe la tensión de salida a la frecuencia. Una salida del inversor está conectada operativamente con los devanados del rotor. El inversor suministra la potencia de deslizamiento a los devanados del rotor a la frecuencia de ajuste.The step of supplying sliding power to the rotor windings includes the additional steps of calculating the difference between the frequency of the output voltage and the predetermined level and providing the difference as an adjustment frequency. The slip power has a frequency generally equal to the setting frequency. The stator output is operatively connected to an input of an inverter. The inverter receives the output voltage at the frequency. An inverter output is operatively connected to the rotor windings. The inverter supplies the sliding power to the rotor windings at the set frequency.
El estátor tiene un devanado principal y un devanado en cuadratura, y el inversor incluye un enlace de CC. La entrada del inversor está conectada operativamente con el devanado principal y el enlace de CC está conectado operativamente con el devanado en cuadratura. Se contempla que el nivel predeterminado de la frecuencia se encuentre en el intervalo de 40 a 75 hercios y que el motor tenga una velocidad operativa mínima de aproximadamente 2400 revoluciones por minuto. La velocidad del motor está ajustada para optimizar el consumo de combustible en respuesta a la carga sobre el mismo.The stator has a main winding and a quadrature winding, and the inverter includes a DC link. The inverter input is operatively connected to the main winding and the DC link is operatively connected to the quadrature winding. It is contemplated that the predetermined frequency level is in the range of 40 to 75 hertz and that the motor has a minimum operating speed of approximately 2400 revolutions per minute. The engine speed is adjusted to optimize fuel consumption in response to the load on it.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Los dibujos realizados en la presente memoria ilustran una construcción preferente de la presente invención en los que se divulgan con claridad las ventajas y características anteriores, al igual que otras que se entenderán fácilmente a partir de la siguiente descripción de la realización ilustrada.The drawings made herein illustrate a preferred construction of the present invention in which the above advantages and features are clearly disclosed, as well as others that will be readily understood from the following description of the illustrated embodiment.
En los dibujos:In the drawings:
la Fig. 1 es una vista esquemática de un sistema de generador eléctrico accionado por motor para llevar a cabo el procedimiento de la presente invención.Fig. 1 is a schematic view of a motor driven electric generator system for carrying out the process of the present invention.
Descripción detallada de los dibujosDetailed description of the drawings
Con referencia a la Fig. 1, un sistema de generador eléctrico accionado por motor para llevar a cabo la metodología de la presente invención es referido, en general, mediante el número 10 de referencia. El sistema 10 de generador incluye el generador 20 definido por el rotor cilíndrico 30 recibido de manera giratoria en el estátor 32. A modo de ejemplo, el rotor 30 incluye devanados trifásicos 31a- 31c suministrados por el inversor 34, según se describe a continuación. El estátor 32 incluye una pluralidad de devanados eléctricos (por ejemplo, el devanado principal 14) enrollados en bobinas sobre un núcleo de hierro y un devanado 46 de excitación o en cuadratura desfasado 90 grados del devanado principal 14. La rotación del rotor 30 genera un campo magnético móvil en torno al estátor 32 que, a su vez, incluye una diferencia de tensión entre los devanados del estátor 32. Como resultado, se proporciona una energía de corriente alterna (CA) en las salidas 33a- 33c del estátor 32. Las salidas 33a-33c del estátor 32 son conectables con la carga 36 para suministrar energía de CA a la misma.With reference to Fig. 1, a motor-driven electric generator system for carrying out the methodology of the present invention is referred, in general, by reference number 10. The generator system 10 includes the generator 20 defined by the cylindrical rotor 30 rotatably received in the stator 32. By way of example, the rotor 30 includes three-phase windings 31a-31c supplied by the inverter 34, as described below. Stator 32 includes a plurality of electric windings (for example, the main winding 14) wound in coils on an iron core and an excitation winding or in offset quadrature 90 degrees of the main winding 14. The rotation of the rotor 30 generates a mobile magnetic field around the stator 32 which, in turn, includes a voltage difference between the windings of the stator 32. As a result, an alternating current (AC) energy is provided at the outputs 33a-33c of the stator 32. The outputs 33a-33c of the stator 32 are connectable with the load 36 to supply AC power to it.
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El sistema 10 de generador incluye además un motor 22. Como es convencional, el motor 22 recibe combustible tal como gas natural o vapor de propano líquido a través de una entrada. El combustible proporcionado al motor 22 es comprimido e inflamado en los cilindros del mismo, de forma que genere un movimiento recíproco de los pistones del motor 22. El movimiento recíproco de los pistones del motor 22 es convertido al movimiento giratorio por medio de un cigüeñal. El cigüeñal está acoplado operativamente con el rotor 30 del generador 20 mediante un eje, de forma que según gira el cigüeñal mediante la operación del motor 22, el eje acciona el rotor 30 del generador 20.The generator system 10 further includes a motor 22. As is conventional, the engine 22 receives fuel such as natural gas or liquid propane vapor through an inlet. The fuel provided to the engine 22 is compressed and inflamed in the cylinders thereof, so as to generate a reciprocal movement of the engine pistons 22. The reciprocal movement of the engine pistons 22 is converted to the rotational movement by means of a crankshaft. The crankshaft is operatively coupled with the rotor 30 of the generator 20 by means of an axis, so that as the crankshaft rotates through the operation of the engine 22, the shaft drives the rotor 30 of the generator 20.
Como es sabido, la frecuencia de la energía de CA en las salidas 33a-33c del estátor 32 depende del número de polos y de la velocidad de rotación del rotor 30 que se corresponde, a su vez, con la velocidad del motor 22. La velocidad del motor que se corresponde con una frecuencia particular es denominada velocidad de sincronismo (Ns) para esa frecuencia. A modo de ejemplo, la velocidad de sincronismo para un rotor de dos polos que produce energía de CA a 60 hercios en las salidas 33a-33c del estátor 32 es de 3600 revoluciones por minuto.As is known, the frequency of the AC power at the outputs 33a-33c of the stator 32 depends on the number of poles and the rotational speed of the rotor 30 which corresponds, in turn, with the speed of the motor 22. The Motor speed that corresponds to a particular frequency is called the synchronism speed (Ns) for that frequency. As an example, the synchronism speed for a two-pole rotor that produces 60 Hertz AC power at outputs 33a-33c of stator 32 is 3600 revolutions per minute.
Se hace notar que el motor 22 del sistema 10 de generador no opera a una velocidad constante fija, sino que, más bien, opera a una velocidad que varía según la magnitud de la carga. En otras palabras, con cargas bajas, cuando la carga 36 requiere relativamente poca corriente del generador 20, la velocidad del motor es relativamente baja. Con mayores cargas, cuando se extrae una corriente mayor del generador 20, la velocidad del motor es mayor. Aunque se puede apreciar que la velocidad del motor 22 puede ser ajustada fácilmente para optimizar el consumo de combustible y reducir el nivel de ruido asociado con la operación del motor 22. Estos cambios en la velocidad del motor, a su vez, provocan que cambien la frecuencia y la tensión en la salida del generador 20. Sin embargo, en todos los casos, la frecuencia y la tensión de la energía de CA producida en las salidas 33a-33c del estátor 32 deben permanecer relativamente constantes y sustancialmente entre los límites superior e inferior preestablecidos (por ejemplo, 56-60 Hz, y 108-127 Vrms). Como tal, se proporciona la regulación de la tensión y de la frecuencia, según se describe en lo que sigue.It is noted that the engine 22 of the generator system 10 does not operate at a fixed constant speed, but rather operates at a speed that varies according to the magnitude of the load. In other words, with low loads, when the load 36 requires relatively little current from the generator 20, the motor speed is relatively low. With higher loads, when a higher current is drawn from the generator 20, the motor speed is higher. Although it can be seen that engine speed 22 can be easily adjusted to optimize fuel consumption and reduce the noise level associated with engine operation 22. These changes in engine speed, in turn, cause them to change the frequency and voltage at the generator output 20. However, in all cases, the frequency and voltage of the AC energy produced at outputs 33a-33c of the stator 32 must remain relatively constant and substantially between the upper and lower limits. lower preset (for example, 56-60 Hz, and 108-127 Vrms). As such, voltage and frequency regulation is provided, as described in the following.
El sistema 10 de generador incluye, además, un controlador 16 conectado operativamente con un transformador de corriente (no mostrado) y con el accionador de mariposa del motor 22. El transformador de corriente mide la magnitud de la carga 36 y suministra la misma al controlador 16. Se pretende que el controlador 16 calcule el consumo óptimo de combustible para el motor 22 para una carga dada 36. Se puede apreciar que el consumo mínimo de combustible normalmente se produce a aproximadamente 2/3 de la velocidad de sincronismo (Ns) del motor 22. Como tal, para un rotor de dos polos que produce energía de CA a 60 hercios en las salidas 33a-33c del estátor 32, se produce el consumo mínimo de combustible a una velocidad del motor de 2400 revoluciones por minuto. En respuesta a las instrucciones recibidas desde el controlador 16, el accionador de mariposa acoplado con el motor 22 aumenta o reduce la velocidad del motor 22 para optimizar el consumo de combustible por parte del motor. También se contempla que el controlador 16 reciba diversas entradas adicionales indicativas de las condiciones operativas del motor y proporciona órdenes adicionales de control (por ejemplo, una orden de parada del motor en el caso de que se pierda la presión del aceite) al motor 22.The generator system 10 further includes a controller 16 operatively connected to a current transformer (not shown) and to the motor butterfly actuator 22. The current transformer measures the magnitude of the load 36 and supplies it to the controller 16. The controller 16 is intended to calculate the optimum fuel consumption for the engine 22 for a given load 36. It can be seen that the minimum fuel consumption normally occurs at approximately 2/3 of the synchronism speed (Ns) of the Engine 22. As such, for a two-pole rotor that produces 60 Hertz AC power at outputs 33a-33c of Stator 32, the minimum fuel consumption is produced at an engine speed of 2400 revolutions per minute. In response to the instructions received from the controller 16, the throttle actuator coupled with the engine 22 increases or decreases the speed of the engine 22 to optimize fuel consumption by the engine. It is also contemplated that the controller 16 receives various additional inputs indicative of the engine's operating conditions and provides additional control orders (for example, an engine stop order in the event that the oil pressure is lost) to the engine 22.
Las entradas 35a y 35b del inversor 34 están conectadas operativamente con los devanados del estátor mediante las salidas 33a y 33c, respectivamente, del estátor 32 por medio de líneas 37 y 39. Además, el enlace 44 de CC del inversor 34 está conectado operativamente con el devanado 46 en cuadratura del estátor 32 por medio de líneas 48 y 50. En una aplicación monofásica, la entrada introducida desde el devanado 46 en cuadratura al enlace 44 de CC es rectificada para proporcionar corriente al enlace 44 de CC. Además, la energía de CA suministrada al enlace 44 de CC desde estátor 32 es convertida por un puente trifásico en energía trifásica de CA con una frecuencia controlable por las líneas 40a-40c. Las líneas 40a-40c están conectadas operativamente con los devanados 31a-31c del rotor, respectivamente del rotor 30 mediante, por ejemplo, anillos colectores, para suministrar corrientes trifásicas a los mismos. Según se describe en lo que sigue, se pretende que las corrientes trifásicas produzcan una onda progresiva de flujo magnético con respecto al rotor 30 para que se mantenga la velocidad del rotor 30 con respecto al estátor 32 en la velocidad de sincronismo (Ns) del motor 22.The inputs 35a and 35b of the inverter 34 are operatively connected to the windings of the stator via the outputs 33a and 33c, respectively, of the stator 32 by means of lines 37 and 39. In addition, the DC link 44 of the inverter 34 is operatively connected with the quadrature winding 46 of the stator 32 by means of lines 48 and 50. In a single phase application, the input introduced from the quadrature winding 46 to the DC link 44 is rectified to provide current to the DC link 44. In addition, the AC power supplied to the DC link 44 from stator 32 is converted by a three-phase bridge into three-phase AC power with a frequency controllable by lines 40a-40c. The lines 40a-40c are operatively connected with the windings 31a-31c of the rotor, respectively of the rotor 30 by, for example, collecting rings, to supply three-phase currents to them. As described below, it is intended that three-phase currents produce a progressive wave of magnetic flux with respect to rotor 30 so that the speed of rotor 30 with respect to stator 32 is maintained at the synchronism speed (Ns) of the motor 22
Dada la velocidad (Nr) del rotor, la onda progresiva del flujo magnético producida por las corrientes trifásicas suministradas por el inversor 34 con respecto al rotor 30 es igual a la diferencia entre la velocidad de sincronismo (Ns) y la velocidad (Nr) del rotor. Como tal, el estátor 32 “ve” la onda de flujo magnético que discurre a la velocidad de sincronismo (Ns) con independencia de la velocidad (Nr) del rotor y producirá una frecuencia constante en las salidas 33a-33c del mismo. Para un rotor 30 que tiene dos polos, se puede calcular la frecuencia requerida para la energía de CA suministrada por el inversor 34 a los devanados 31a-31c del rotor para producir una onda progresiva de flujo magnético que provoca que las salidas del estátor 32 tengan una frecuencia constante según la ecuación:Given the speed (Nr) of the rotor, the progressive wave of the magnetic flux produced by the three-phase currents supplied by the inverter 34 with respect to the rotor 30 is equal to the difference between the synchronism speed (Ns) and the speed (Nr) of the rotor. As such, the stator 32 "sees" the magnetic flux wave that runs at the synchronism speed (Ns) regardless of the speed (Nr) of the rotor and will produce a constant frequency at the outputs 33a-33c thereof. For a rotor 30 that has two poles, the frequency required for the AC power supplied by the inverter 34 to the windings 31a-31c of the rotor can be calculated to produce a progressive magnetic flux wave that causes the outputs of the stator 32 to have a constant frequency according to the equation:
Ns—Nr Ecuación (1)Ns — Nr Equation (1)
JinversorJinversor
en la que: finversor es la frecuencia de la energía de CA suministrada por el inversor 34 a los devanados 31a-31c del rotor; Ns es la velocidad de sincronismo; y Nr es la velocidad del rotor.in which: finverter is the frequency of the AC power supplied by the inverter 34 to the windings 31a-31c of the rotor; Ns is the sync speed; and Nr is the rotor speed.
Para suministrar una tensión y una corriente constantes en las salidas 33a-33c del estátor 32, la energía de CA suministrada por el inversor 34 puede ser calculada según la ecuación:To supply a constant voltage and current at the outputs 33a-33c of the stator 32, the AC power supplied by the inverter 34 can be calculated according to the equation:
55
1010
15fifteen
20twenty
2525
3030
Ns-Nr NrNs-Nr Nr
Ecuación (2)Equation (2)
en la que: Pnversor es la energía de CA suministrada por el inversor 34 o la potencia de deslizamiento; Pestátor es la energía de CA en las salidas 33a-33c y el devanado 46 en cuadratura del estátor 32; Ns es la velocidad de sincronismo; y Nr es la velocidad del rotor.in which: Pnversor is the AC power supplied by the inverter 34 or the sliding power; Pestátor is the AC power at the outputs 33a-33c and the quadrature winding 46 of the stator 32; Ns is the sync speed; and Nr is the rotor speed.
En vista de lo anterior, se puede apreciar que al controlar la magnitud y la frecuencia de la energía de CA suministrada a los devanados 31a-31c del rotor mediante el inversor 34, la frecuencia y la tensión de la energía de CA producida por el generador 10 en las salidas 33a-33c del estátor 32 permanecen relativamente constantes y sustancialmente dentro de los límites preestablecidos superior e inferior. En operación, se pone en marcha el motor 22 para que el generador 20 genere energía eléctrica en las salidas 33a-33c del estátor 32, según se ha descrito hasta este momento. El controlador 16 monitoriza la magnitud de la carga 36 y calcula el consumo óptimo de combustible del motor 22. En respuesta a las instrucciones recibidas del controlador 16, el accionador de la mariposa acoplado con el motor 22 aumenta o reduce la velocidad del motor (hasta un máximo de 3600 revoluciones para uno de dos polos) para optimizar el consumo de combustible del motor. Con independencia de la carga 36, el controlador 16 mantiene la velocidad del motor 22 como mínimo en 2400 revoluciones por minuto dado que se produce el consumo mínimo de combustible del motor 22 a una velocidad del motor de 2400 revoluciones por minuto.In view of the above, it can be seen that by controlling the magnitude and frequency of the AC power supplied to the windings 31a-31c of the rotor by means of the inverter 34, the frequency and voltage of the AC energy produced by the generator 10 at the outputs 33a-33c of the stator 32 remain relatively constant and substantially within the preset upper and lower limits. In operation, the motor 22 is started so that the generator 20 generates electrical energy at the outputs 33a-33c of the stator 32, as described so far. The controller 16 monitors the magnitude of the load 36 and calculates the optimum fuel consumption of the engine 22. In response to the instructions received from the controller 16, the throttle actuator coupled with the engine 22 increases or decreases the engine speed (up to a maximum of 3600 revolutions for one of two poles) to optimize the fuel consumption of the engine. Regardless of the load 36, the controller 16 maintains the engine speed 22 at a minimum at 2400 revolutions per minute since the minimum fuel consumption of the engine 22 occurs at an engine speed of 2400 revolutions per minute.
Para mantener la frecuencia y la tensión de la energía de CA producida por el generador 10 en las salidas 33a-33c del estátor 32, el controlador 16 determina la frecuencia y la magnitud de la potencia de deslizamiento que ha de ser suministrada a los devanados 31a-31c del rotor mediante el inversor 34. A partir de entonces, bajo el control del controlador 16, el inversor 34 convierte la energía de CA suministrada en las entradas del mismo en la potencia de deslizamiento que tiene la magnitud deseada y la frecuencia deseada.To maintain the frequency and voltage of the AC energy produced by the generator 10 at outputs 33a-33c of the stator 32, the controller 16 determines the frequency and magnitude of the slip power to be supplied to the windings 31a -31c of the rotor by means of the inverter 34. Thereafter, under the control of the controller 16, the inverter 34 converts the AC power supplied in the inputs thereof into the sliding power having the desired magnitude and the desired frequency.
Cuando el rotor 30 gira a la velocidad de sincronismo (Ns), el inversor 34 debe proporcionar una onda estacionaria con respecto al rotor 30 para producir la misma fuerza magnetomotriz que se produce por medio de un alternador normal de velocidad constante. De esta manera, el inversor 34 se comporta como se comporta un regulador automático de tensión en un alternador convencional que tiene que proporcionar una fuerza magnetomotriz magnetizante, así como un componente para oponerse a la reacción de la armadura. Además, se puede apreciar que en aplicaciones monofásicas, al utilizar el devanado 46 en cuadratura del estátor 32 para alimentar el enlace 44 de CC del inversor 34, se mantienen los devanados principales del estátor 32 libres de armónicos que se producen como resultado natural del enlace 44 de CC. Esto, a su vez, elimina la necesidad de un filtrado adicional o de una corrección del factor de potencia corriente arriba del enlace 44 de CC.When the rotor 30 rotates at the synchronism speed (Ns), the inverter 34 must provide a standing wave with respect to the rotor 30 to produce the same magnetomotive force that is produced by means of a normal constant speed alternator. In this way, the inverter 34 behaves as an automatic voltage regulator behaves in a conventional alternator that has to provide a magnetizing magnetomotive force, as well as a component to oppose the armature reaction. In addition, it can be seen that in single-phase applications, when using the quadrature winding 46 of the stator 32 to feed the DC link 44 of the inverter 34, the main windings of the stator 32 are maintained free of harmonics that occur as a natural result of the link CC 44. This, in turn, eliminates the need for additional filtering or correction of the power factor upstream of the DC link 44.
Se contempla que diversos modos para llevar a cabo la invención se encuentran en el alcance de las siguientes reivindicaciones destacando, en particular, y reivindicando de manera destacada la materia objeto que se considera que es la invención.It is contemplated that various ways of carrying out the invention are within the scope of the following claims by highlighting, in particular, and vindicating the subject matter considered to be the invention.
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